Магнитометр Советский патент 1980 года по МПК G01R33/08 

(54) МАГНИТОМЕТР

1

Изобретение относится к («Магнитным измерениям и может быть, использовано для автоматического измерения магнитных полей на основе метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Известен магйитометр, предназначенный для измерения напряженности магнитного поля. Магнитометр выполнен на базе измерителя магнитного поля Е 11-2. Система автоматической подстройки частоты содержит две цепи связи - электронную (на основе изменения емкости варикапа) и электромеханическую (на основе переменного конденсатора, механически связанного с реверсивным двигателем). Автоматический поиск сигнала ЯМР осущес-. твляется путем разбаланса синхронного детектора I .

Недостатками известного магнито:метра является наличие электромеханической системы и погрешности в определении величины магнитного поля.

Наиболее близким по технической сущности является магнитометр, содержащий автодин Паунда-Найта-Уоткинса, работающий при низком уровне НЧ-сигнала, соединенный с усилителем низкой частоты ЯМР-спектрометра, синхронный фазочувствительный детектор

/(СД), вырабатывающий сигнал ошибки и блок автоматического слежения и поиска сигнала ЯМР. Низкочастотный сигнал, детектированный синхронным

5 детектором управляет напряжением

на варикапе, составляюишм с катушкой индуктивности образца резонансный контур системы, используется для привязки частоты автодина к центру

10 резонансной линии, т.е. для слежения за изменяющимся магнитным полем 2 .

Недостатком известного магнитометра является невысокая чувствительность при наличии шума.

Цель изобретения - повыиение чувствительности магнитометра.

Поставленная цель достигается тем, что в известный магнитометр,

20 содержащий датчик ЯМР, соединенный с варикапом и автодином, а через детектор и усилитель - с первьлм входом синхронного детектора, модулятор, соединенный с катушкой модуляции и вторым входом синхронного детектора, выход.которого подключён ко входу интегратора с ключами хра нения и разряд, при этом вход ключа разряд подключен к одному

30 выходу компаратора, л выход -интегратора подключен к варикапу и, через компаратор к ре вереи вног-о/ счетчику с набором конденсаторой, подключенных к датчику ЯМР, догюлнительHQ -введены триггер, блок определения абсолютных величин и форь-шрователь, причем 1:зыход синхронного детектора подключен через последовательно соединенные блок определени абсолютных величин и формирователь .к первому входу триггера, второй вйод которого подключен к выходам компаратора, а выход - к ключу хр нения. На фиг. 1 представлена структур ная схема у.стройства; на фиг, 2 график напряжений на элементах схе мы магнитометра. Магнитометр содер жит датчик ЯМР 1 - катушку, насыще ную в измеренное магнитное поле, соединенный с варикапом 2 и наборо емкостей 3, которые подключены к автодипу 4, и последовательно соединенным, детектору 5, усилителю 6 выход которого подключен ко входу синхронного детектора 7, второй вход синхронного детектора 7 соеди нен с катушкой модуляции 8 и модул тором 9. К выходу синхронного детектора 7 подключены блок определ ния абсолютных величин 10, а таклсе интегратор 11 и ключ разряд 12. Кроме того, выход синхронного д тектора 7 соединен с ключом хране ния 13. Параллельно ключу разряда 12 включена емкость 14. Последовательно с блоком опреде НИН абсолютных величин 10 включен формирователь 15, соединенный со входом уст.1 триггера 16, друг вход которого уст.О подключен к выходу элемента 17 задержки и диод 18.Выход триггера 16 через ключ Хранения 13 подключен к интеграт ру 11, соединенному с KONmapaTopoM 19,последний выполнен практически в виде компаратора max и т in. Выходы компаратора 19 подключены к элементу 18 совпадения и реверсивному счетчику 20, соединенному с набором емкостей 3. Устройство снабжено источником -постоянного напряжения 21, подключенному к выходу интегратора 11 и варикапу 2. Детектор 5, усилитель б, синхронный детектор 7, блок определения абсолютных величин Ю, формиро ватель 15, триггер 16, ключ хранения 13, интегратор 11 образуют цепь захвата резонансной линии ЯМР. Детектор 5, усилитель б, синхронный детектор 7, интегратор 11 представляют линию слежения ЯМР. Устройство работает следующим образом. датчик ЯМР 1 - катушка с размещенным внутри резонирующим веществом помещается в измеряемое магнитное поле. Ядерный магнитный резонанс наступает в момент выполнения условия: «и ТН, ггде; аи - частота резонанса; -jf - гидромагнитное сггношение, постоянная для данного вещества, И - напряженность измеряемого магнитного поля. Эпюры на элементах устройства представлены на фиг.2. На фиг. 2 а показано напряжение на выходе синхронного детектора 7 производная сигнала поглощения) на фиг. 26 - напряжение на выходе сх&мл определения абсолютных величин 10, где и - напряжение срабатывания формирователя 15, на фиг. 2 в - напряжение на входе S - уст. О триггера 16) на фиг. 2 г - напряжение на входе ключа 13. В момент резонанса в колебательном контуре происходит поглощение генерируемой автодином 4 высокочастотной энергии. Перпендикулярно датчику 1 расположены катушки модуляции 8, на которые с модулятора 9 подается синусоидальное напряжение низкой частоты (нч). Это же напряжение в качестве опорного поступает на один из входов синхронного детектора 7. При этом ток в катушке, модуляции 8 устанавливают таким, чтобы создаваемое им изменение магнитного поля вблизи датчика 1 было меньше ширины резонансной линии. При сканировании поля вблизи резонанса, управляющий сигнал ЯМР, меняющийся с .частотой модуляции, детектируется детектором 5, усиливается усилителем низкой частоты 6 и поступает на один из входов синхронного детектора 7, где преобразуется в кривую производной сигнала поглощения. Полярность выходного сигнала синхронного детектора опреде- , ляется фазой входного сигнгша. Выходное напряжение синхронного детектора 7 через интегратор 11 управляет напряжением на варикапе 2. Интегратор 11, компаратор 19 и ключ разряд 12 образуют генератор пилообразного напряжения. Выходное линейно нарастающее напряжение интегратора 11,достигая значения щ, управляет компаратором 19, при этом выходной короткий импульс max компаратора приводит к мгновенному разряду ключом 12 емкости 14 и такому изменению состояния двоичного реверсивного счетчика 20,, что емкость набора конденсаторов 3, включенных параллельно варикапу 2, уменьшается на величину С. Если не выполняютс

резонансные условия, то цикл поиска повторяется вкруговую, проходя последовательно 15 значений набора емкостей , соответствующее коду 1,2,4 и 8 от большего значения к меньшему. Вепичина емкости С,,определяющая дискретность набора взята меньше разности максимально и минимально возможных значений емкости варикапа 2, чтобы исключить пропуски участков диапазона при переключениях.

Таким образом, осуществляется привязка частоты автодина 4 к центру резонансной линии ЯМР, т.е. слежение за изменяющимся магнитным полем.

Кроме того, последовательно с выходным напряжением интегратора 11 включен источник постоянного напряжения 21, благодаря которому минимальное напряжение на варикапе 2 не равно нулю, что позволяет получить максимальную добротность контур

В момент резонанса сигнал поглощения детектируется детектором 5, усиливается усилителем б и поступает на вход синхронного детектора 7, при этом в центре резонанса напряжение на выходе последнего равно нулю. В этот момент времени должно прекратиться нарастание пилообразного напряжения на выходе интегратора 11, что достигается при замыкании ключа 13 хранения триггером 16. Блок определения абсолютных величин 10 преобразует отклонение напряжения от центра резонанса в однополярный сигнал, достигаклций максимума, затем при дсшьнейшей расстройке обращающийся ,в нуль.

Формирователь 15 является пороговым устройством, напряжение на его выходе скачком изменяется от нуля до определенного уровня (см.фиг.2, поз,в) при достижении входным сигналом напряжения срабатывания, остается на постоянном уровне при дальнейшем увеличении напряжения на входе, и снова переходит в нуль, если на входе напряжение оказывается ниже напряжения срабатывания.

Таким образом, при переходе к центру резонанса с любой стороны напряжение на выходе формирователя 15 сначала скачком изменится от нуля до max, затем переходит снова в нуль. Момент перехода напряжения формирователя 15 в нуль используется для запуска триггера 16, срабатывакядего по заднему фронту запускающего импульса. Триггер 16 выходным сигналом замыкает ключ 13 и нарастание пилообразного напряжения на таыходе интегратора прекращается.

В дальнейшем это напряжение увеличивается или уменьшается в зависимости от знака напряжения расстройки относительно центра резонанса с выхода синхронного детектора 7, соединенного со входом интегратора 11. В процессе слежения за линией ЯМР, на вход уст.1 триггера 16 Поступают запускающие импульсы,- но это не изменяет его состояния.

Если в процессе слежения поле , уйдет вниз, или вверх настолько, что изменение напряжения выхода интегратора 11 приведет к срабатыванию соответствукадего компаратора 19 max или тin, выходной импульс которого дает команду реверсивному счетчику 20 увеличить или уменьшить на величину С емкость набора конденtsсаторов 3 и поступив на вход Уст.О

триггера 16, приведет к разкыканию ключа хранения 13, то снова начинается рост пилы на выходе интегратора 11, который продолжается до

0 появления на выходе синхронного детектора 7 сигнала, вызванного поимкой утерянной линии резонанса, которая теперь находится в следующем верхнем или нижнем по частоте дискретном интервале комбинации набора емкостей 3.

Элемент 17 задержки, через короткий промежуток времени после включения выдает короткий импульс, устанавливающий триггер 16 в нулевое состояние, так как после включения питающего напряжения триггер может находиться в любом состоянии.

5

Формула изобретения

Магнитометр, содержащий датчик

0 ядерного магнитного резонанса (ЯМР), соединенный с варикапом и автодином, а через детектор и усилитель - с первым входом синхронного детектора, модулятор, соединенный с катушкой

5 модуляции и вторым входом синхронного детектора, выЯод которого подключен ко входу интегратора с ключами хранения и разряда, при этом вход ключа разряда подключен к

Q одному выходу компаратора, а выход интегратора подключен к варикапу и, через компаратор - к реверсивному счетчику с набором конденсаторов, подключенных к датчику ЯМР, отличающийся тем, что, с целью

повышения чувствительности, в него дополнительно введены триггер, блок определения абсолютных величии и формирователь, причем выход сиихроиного детектора подключен через посО ледовательно соединенные блок определения абсолютных величин и формирователь к первому входу триггера, второй вход которого подключен к выходам компаратора, а выход - к клю5 У хранения.